張墨墨有位置無刷直流電動機(jī)控制總結(jié)

1、有位置無刷直流電動機(jī)控制總一 原理介紹 無刷直流電動機(jī)是從用電子換向取代直流電動機(jī)的機(jī)械換向發(fā)展起來的，它解決了直流電動機(jī)機(jī)械換向的問題。它既有交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等，又有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如：起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、控制電路簡單以及線性機(jī)械特性等。下面是無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)、原理、數(shù)學(xué)模型以及有位置仿真的介紹。1 無刷直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)是由電動機(jī)本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動機(jī)，如圖1圖1無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置信號，控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，開關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)

2、逆變器中的功率開關(guān)器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動機(jī)定子各相繞組，使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。下面我們介紹無刷直流電動機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)。1. 電機(jī)本體無刷直流電動機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來自普通的有刷直流電動機(jī)，不同的是將直流電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對稱繞組。原直流電動機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器所代替。所以無刷直流電動機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)，如圖2圖2無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖其作用是進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。由定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子位置檢測器組成。定子由定子繞組、定子鐵心、機(jī)座構(gòu)成，轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動部分，由永磁體、

3、導(dǎo)磁體和支撐部件組成。2. 逆變器逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電機(jī)的重要有點(diǎn)之一。3. 位置檢測器 見圖 2由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，定子則固定在電機(jī)本體端蓋上，作用是將轉(zhuǎn)子磁極位置轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，送給控制器?？刂破魇峭瓿蔁o刷直流電動機(jī)一切功能的核心。根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置決定功率開關(guān)管的輸出時序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動、停止，正、反轉(zhuǎn)，并且對電機(jī)的短路、過流、過壓、欠

4、壓等故障進(jìn)行保護(hù)。 4控制器 控制器是完成無刷直流電動機(jī)一切功能的核心。根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置決定功率開關(guān)管的輸出時序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動、停止，正、反轉(zhuǎn)，并且對電機(jī)的短路、過流、過壓、欠壓等故障進(jìn)行保護(hù)。2 無刷直流電動機(jī)的工作原理與普通直流電機(jī)不同，直流無刷電機(jī)把電樞繞組放在定子上，永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，按照事先編制好的程序由控制器發(fā)出電樞，發(fā)出電樞繞組導(dǎo)電時序，使得電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢始終保持在平均值為90°，的電角度，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。下面以一對磁極，每極每相60°相帶，電樞繞組A、B、C三相星形連接全橋驅(qū)動為例，說明無刷直流電動機(jī)的工作原理，如圖 3

5、。圖 3三相無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)假設(shè)當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖 4 a)位置時為0，相帶X、B、Z在N極下，相帶A、Y、C在S極下，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使VT1、VT6導(dǎo)通，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)VT6回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢為圖4a)中Fa，此時定子磁場Fa與轉(zhuǎn)子磁場Fr相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。各相通電波形見圖 5所示。當(dāng)轉(zhuǎn)過60角后，轉(zhuǎn)子位置如圖 4 b)所示。 a) A+，B- b)轉(zhuǎn)過60° c)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)d) A+，C- e)轉(zhuǎn)過60° f) B+，C-g) B+，A-圖 4

6、無刷直流電動機(jī)工作原理示意圖 這時如果轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)下去就進(jìn)入圖 4 c)所示的位置，這樣就會使同一磁極下的電樞繞組中有部分導(dǎo)體的電流方向不一致，它們相互抵消，削弱磁場，使電磁轉(zhuǎn)矩減小。因此，為了避免出現(xiàn)這樣的結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 4 b)的位置時，就必須換相。使B相斷電，C相通電。這樣，使轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使VT1、VT2導(dǎo)通，電流從電源的正極流出，經(jīng)VT1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VT2回到電源的負(fù)極。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動勢Fa如圖 4 d)示，此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過60°角后到圖 4e)

7、所示位置，根據(jù)上面講的道理必須要進(jìn)行換相，即A相斷電，B相正向通電。換相后如圖2-4 f)所示。轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過60°角，則再進(jìn)行換相，使C相斷電，A相反向通電，如圖 4 g)所示。 圖 5電流與感應(yīng)電動勢波形這樣如此下去，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°就換相一次，相電流按圖 5所示的順序進(jìn)行斷電和通電，電動機(jī)就會平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)下去。易知轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60°電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢姡姍C(jī)有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度。我們把無刷直流電動機(jī)的這種工作方式稱為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)。

8、在圖 4 a)到圖 4 b)的60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場沿順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場在空間保持圖 4 a)中Fa的位置靜止。只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場連續(xù)旋轉(zhuǎn)60°電角度，到達(dá)圖 4 b)所示的Fr位置時，定子合成磁場才從圖 4 a)的Fa位置跳躍到圖 4 d)中的Fa位置?？梢姡ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進(jìn)角是60°電角度。3 無刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 下面我以兩項(xiàng)導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析無刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。無刷直流電機(jī)定子感應(yīng)電動勢為梯形波，繞組間的互感是非線性關(guān)系。直接利用電機(jī)原有的相變量來建立數(shù)學(xué)模型比較方便，又

9、能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果。為了便于分析，現(xiàn)做如下簡化：(1) 電動機(jī)的氣隙磁場在空間呈梯形（近似為方波）分布；(2) 忽略齒槽效應(yīng)，電樞導(dǎo)體連續(xù)分布于電樞表面；(3) 電樞反應(yīng)對氣隙磁通的影響忽略不計(jì)；(4) 忽略電機(jī)中的鐵心飽和，不計(jì)磁滯損耗和渦流損耗；(5) 三相繞組完全對稱；(6)逆變器的功率管和續(xù)流二極管具有理想的開關(guān)特性。由于轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而改變，因此定子繞組的自感和互感為常數(shù)，則相繞組的電壓平衡方程可表示為式中：ua、ub、uc 為定子各相繞組電壓；ia、ib、ic 為定子各相繞組電流；ea、eb、ec 為定子各相繞組反電動勢；r 為每相繞組的電阻；L為每相繞組的自感；M為

10、每兩相繞組間的互感。由于三相繞組為星形連接，即，因此，所以式(2-1)可以變?yōu)橛纱丝梢缘玫綗o刷直流電動機(jī)的等效電路如圖 6所示。圖中，為直流側(cè)電壓，VT1VT6為功率開關(guān)器件，VD1VD6為續(xù)流二極管，圖中標(biāo)出的相電流和相反電動勢的方向?yàn)槠湔较?。圖 6無刷直流電動機(jī)的等效電路無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子繞組中的電流與轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生的，電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為 式中：、為三相繞組的反電動勢；、為三相繞組的電流；為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。電機(jī)的運(yùn)動方程為 式中為轉(zhuǎn)子及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為空載制動轉(zhuǎn)矩。于 Y 形連接的永磁無刷直流電機(jī)，在其通電期間，其定子中的帶電導(dǎo)體均處于相同的

11、磁場之下，其相繞組的感應(yīng)電動勢幅值為n電機(jī)的轉(zhuǎn)速；每極磁通，單位Wb，；相電動勢常數(shù)，； 電機(jī)每相繞組的串連匝數(shù)； 極對數(shù)；計(jì)算極弧對數(shù)。 對于交直交變頻器系統(tǒng)，永磁無刷直流電機(jī)的兩相繞組串連經(jīng)逆變器與直流電源相連。從逆變器的直流側(cè)看，電機(jī)電樞繞組電動勢為 電機(jī)的電動勢常數(shù)， 。電樞繞組的電流為：在任一時刻，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由兩相繞組的合成磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生，則；式中電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，； 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：二 無刷直流電動機(jī)有位置傳感器控制及仿真 無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，系統(tǒng)原理圖如圖 7所示。其中，ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通常采用PI

12、D算法。速度為外環(huán)，電流為內(nèi)環(huán)，由于，電流環(huán)調(diào)節(jié)的實(shí)際上是電磁轉(zhuǎn)矩。速度給定信號n*與速度反饋信號n送給速度調(diào)節(jié)器（ASR），速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號的參考值i*，與電流信號的反饋在一起送至電流調(diào)節(jié)器（ACR），電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值，與給定的載波比較后，形成PWM調(diào)制波，控制逆變器的實(shí)際輸出電壓。邏輯控制單元的任務(wù)是根據(jù)位置檢測器的輸出信號決定導(dǎo)通相，被確定要導(dǎo)通的相不總是在導(dǎo)通，它還要受PWM輸出信號的控制，邏輯“與” 單元的任務(wù)就是把換相信號和PWM信號結(jié)合起來，在送到功率開關(guān)管的門極。圖 7 無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)原理圖1 位置信號檢測的實(shí)現(xiàn) 在無刷直流電動機(jī)中，常用的位置傳感器

13、主要有以下幾種類型：電磁式位置傳感器、磁敏式位置傳感器和光電式位置傳感器，以下主要介紹磁敏式位置傳感器。 常見的磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低，是目前在無刷直流電動機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。 將霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，一跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測盒輸出轉(zhuǎn)子位置信號，如圖2?；魻杺鞲衅髋c電樞繞組、磁極的初始位置如圖 8 圖8 霍爾傳感器與電樞繞組、磁極的相對位置讓其順時針旋轉(zhuǎn)，霍爾位置信號和反電動勢相位關(guān)系如圖 9圖 9 霍爾位置信號和反電動勢相位的關(guān)系霍爾信號與反電動勢的對用關(guān)系為用Simul

14、ink實(shí)現(xiàn)此邏輯轉(zhuǎn)換電路如圖 10圖 10 霍爾位置信號與反電動勢的邏輯轉(zhuǎn)換反電動勢信號在轉(zhuǎn)換成門極信號來觸發(fā)功率管，來控制三相繞組的導(dǎo)通。其對應(yīng)關(guān)系為用Simulink實(shí)現(xiàn)此邏輯轉(zhuǎn)換電路如圖 11圖 11 反電動勢與門極信號的邏輯轉(zhuǎn)換2 速度、電流雙閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn) 在Simulink環(huán)境下的仿真電路圖如圖 12所示 圖 12 速度、電流雙閉環(huán)控制仿真圖速度給定值為800，速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及電流濾波器的參數(shù)設(shè)置分別如圖 13、14、15圖 13 速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置圖 14 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置圖 15 電流濾波器的參數(shù)設(shè)置以上實(shí)現(xiàn)了直流無刷電動機(jī)速度、電流的雙閉環(huán)控制。3 PWM波的實(shí)現(xiàn) 將三角波與常量做個比較，即可得到PWM波，Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)電路圖如圖 16圖 16 PWM波的實(shí)現(xiàn) 以上為各模塊的仿真實(shí)現(xiàn)，最后仿真出來的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、反電動勢波及電流形如圖 17、18、19、20圖 17 轉(zhuǎn)速波形圖 18 轉(zhuǎn)矩波形圖 19 反電動勢波形圖 20 電流波形三 總結(jié)與感受 通過這段時間的學(xué)習(xí)，我了解無刷直流電動機(jī)